引言

在现代电子学中，二极管是极其关键的器件，广泛应用于整流、电压控制与信号处理。而在追求极致低能耗的超导电子学领域，科学家们一直试图打造其“超导版”——超导二极管。这类器件不仅要求电阻为零，还需实现“非互易”（non-reciprocal）电流传输，即允许电流在一个方向上无损流动，却在反方向受阻。

近期，来自麻省理工学院（MIT）不同课题组分别主导的两项研究在《自然-电子学》（Nature Electronics）上同时发表，题为《A superconducting full-wave bridge rectifier》、《Efficient superconducting diodes and rectifiers for quantum circuitry》，分别报告了基于超导二极管的交流到直流整流器，并能够在兆赫兹频率范围内运行。

第一章 背景

超导材料由于其零电阻和宏观广东会相干性，有潜力被用于制造高效能电子器件。然而，要构建实用的超导电路，仍需要类似于半导体二极管的非互易超导电路元件。在常规电子学中，二极管能够使电流单向流动，阻止反向电流，这是由于电子和空穴的导电行为不同。二极管被广泛用于将交流电（a.c.）转化为直流电（d.c.），从而实现高效的电能传输。然而，在超导材料中实现这种功能要复杂得多，因为超导材料没有电阻，并且载流粒子是库珀对（Cooper pairs），具有单极性。因此，有必要创建一种超导二极管，可以在不引入高电阻或无需大磁场的情况下高效地工作。

目前已经报道了许多超导二极管效应的实验示范，并提出了各种理论机制来解释超电流整流现象。这些机制包括由自旋轨道-塞曼耦合相互作用引发的螺旋相位、由磁场的轨道耦合触发的拓扑相变、多个相关相位的共存与动态耦合的序参量、以及与边缘突出涡旋相关的不均匀迈斯纳屏蔽与非对称表面势垒的结合等。但这些示范通常仅限于少数几种设备，基于超导二极管的实用电路仍然面临挑战。

图1 基于涡旋二极管效应的超导二极管。

2005年，基于非对称表面势垒效应的涡旋超导二极管效应理论被提出。在II类超导体中，磁通可以以广东会化涡旋的形式进入。超导电流对涡旋施加了一种类洛伦兹力，该力方向垂直于电流流动方向。如图1所示，在垂直磁场作用下，迈斯纳电流以顺时针方向流动，并在引入的涡旋边缘形成势垒。额外的传输电流增强了迈斯纳电流，并在一侧增加了表面势垒，而在另一侧则降低了表面势垒。较高的势垒决定了涡旋进入的临界电流，也即是电阻的起始点。对于对称的边缘，电流方向向上或向下时，势垒是相同的。如果在一侧加入缺口，则打破了空间对称性，导致部分迈斯纳电流线偏转（见图1）。这使得在缺口一侧的表面势垒降低得更强烈。因此，传输电流的临界值取决于电流的方向。垂直磁场的方向反转时，临界电流的方向也会发生改变。

第二章 前沿进展——A superconducting full-wave bridge rectifier

图2 超导二极管和桥式整流器。

来自麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的Matteo Castellani、Karl Berggren及其同事利用氮化铌（NbN）薄膜的非对称涡旋表面势垒效应，设计出可调控极性的超导二极管（图2）。

1、核心器件

几何缺陷调控：在1μm宽的超导微桥左侧刻蚀45°三角形缺口（宽度400nm），该尺寸大于伦敦穿透深度（λ₁≈250nm）但小于Pearl长度（Λ≈8.9μm），通过电流聚集效应降低左侧涡旋势垒。

磁场协同作用：施加垂直磁场（±4mT）时，迈斯纳效应产生的屏蔽电流与偏置电流在缺口处相互作用： 

正向偏置：屏蔽电流与偏置电流同向叠加，进一步抑制势垒，降低临界电流|I_＋|反向偏置：二者反向抵消，提升势垒，增加临界电流|I_-|

高效整流特性：最优器件的整流效率η达43%（9nm薄膜@10Hz），临界电流不对称性最高达220μA（13nm薄膜）。

图3 超导桥式整流器的特性。

2、桥式电路实现全波整流

团队集成了四个涡旋二极管构建全波桥式整流器。D₁-D₄构成超导环路，左右分支电感比（L_R/L_L）通过几何尺寸精确控制（1或10）。实现连续全波整流频率达3MHz，20MHz脉冲信号实现周期级整流，以及0MHz突发信号（100ns脉宽）完成交流-直流转换，峰值功率效率约50%。

第三章 前沿进展——Efficient superconducting diodes and rectifiers for quantum circuitry

来自麻省理工学院、加州大学河滨分校和 SEEQC,Inc. 的联合团队设计了基于钒/硫化铕（V/EuS）薄膜的边缘不对称二极管边缘的不对称性，加上硫化铕膜发出的剩余磁场，导致超导二极管电桥在低温下的效率高达 42%。虽然该设备仅能将最高40 kHz 的交流转换为直流。然而，这里的创新在于利用不对称涡旋表面势垒的剩余磁场。通过最大限度地减少对外部磁场的需求，这些二极管可以与现有的超导系统集成。

图4 V/EuS 器件中高效且可重现的超导二极管。

1、核心器件

研究团队通过分子束外延技术制备了7-8 nm厚的V/EuS双层薄膜，利用两种物理机制协同提升器件性能：

· Type C机制：铁磁绝缘体EuS产生的杂散磁场（BM）打破时间反演对称性，通过调控EuS磁化方向（MEuS）可逆转二极管极性。

· Type A机制：微米级刻蚀边缘结构（宽度8 μm）打破空间反演对称性，垂直磁场（μ₀H_z）诱导的迈斯纳电流产生非对称势垒。

实验测得单个二极管在1.7K温度下实现±50%的整流效率，较单独Type A机制提升近一倍，这种协同效应源于磁场依赖的临界电流特性。

图5 超导整流器的可逆性和效率。

2、超导整流器

研究者将四个结构相同的超导二极管（间距>500 μm）集成在1×1 mm²芯片上构成桥式电路。通过精准控制面外磁场和硫化铕剩余磁场的方向，整个桥路展现出可逆整流特性

性能指标：

（1）转换效率：在负载电阻优化条件下，实测最高电流效率达42±5%，接近理论极限。

（2）频率响应：直接整流模式支持100 kHz交流信号，结合10μF平滑电容可实现40 kHz交流-直流稳定转换。

（3）热管理：器件间距设计有效抑制了邻位二极管发热导致的临界电流漂移。

研究团队指出，通过进一步优化边缘工程和铁磁界面调控，效率有望突破60%。结合近期NbN整流器50 MHz的工作频率，超导整流技术正快速走向实用化，为百万广东会比特集成铺平道路。

终章 结论与展望

这两项研究都强调了超导二极管在节能广东会电子电路中的潜力。在低温下将交流电有效转换为直流电的能力对于扩大超导电子电路和超导广东会电路的规模至关重要，因为这将减轻散热、噪声和退相干性。此外，这些二极管可实现更紧凑、更高效的低温电源管理，这是在探测器和广东会处理器电路中集成超导整流器的关键功能。

高效超导二极管的开发是迈向实用且可扩展的低损耗超导电子学的重要一步。然而，仍然存在一些关键挑战。首先，减少热效应并确保设备的可重复性将是下一步的关键。其次，为了避免使用磁场，需要探索其他打破时间反演对称性的方法。这将简化非互易元件在广东会电路中的集成，并减少潜在的电磁干扰。此外，材料科学和设备工程的进展应着重于提高效率，并增加交流到直流的超导转换器的工作频率范围。特别是实现接近完美的效率，将可能彻底改变超导电子学中的电源管理，使这些系统不仅更快，而且更加节能。

图6 下一代超导二极管。图源Quantumeon。

参考文献：

1. Kochan, D. & Strunk, C. Low-loss electronics with superconducting diodes. Nat. Electron. 8, 380–381 (2025).

2. Castellani, M. et al. A superconducting full-wave bridge rectifier. Nat. Electron. 8, 417–425 (2025).

3. Ingla-Aynés, J. et al. Efficient superconducting diodes and rectifiers for quantum circuitry. Nat. Electron. 8, 411–416 (2025).

撰稿 | 王思涵

指导 | 刘玉龙